JPH04291329A - 光信号波長選択方法および光波長フィルタ - Google Patents

光信号波長選択方法および光波長フィルタ

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JPH04291329A
JPH04291329A JP3057425A JP5742591A JPH04291329A JP H04291329 A JPH04291329 A JP H04291329A JP 3057425 A JP3057425 A JP 3057425A JP 5742591 A JP5742591 A JP 5742591A JP H04291329 A JPH04291329 A JP H04291329A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光信号処理に用いる光
機能素子に関し、特に多波長光の処理に用いる光信号の
波長選択の方法およびその方法を実施するのに用いる光
波長フィルタに関する。
【０００２】近年、光通信が実用化し、さらに光信号の
大容量化を目指して波長多重通信、波長交換およびコヒ
ーレント光通信といった光の波長上の自由度を生かした
技術が試られている。このような多波長技術に伴い、波
長可変性を持ったレーザ光源、可変波長光フィルタ、波
長変換レーザ等の光機能素子が要求されている。
【０００３】
【従来の技術】波長フィルタは、ある波長を中心に透過
帯域幅を持って透過もしくは透過と増幅を行なう光機能
素子である。多波長の光を扱うシステムにおいては、そ
れぞれの波長に応じた波長フィルタが要求される。
【０００４】波長フィルタは、光の干渉の性質または物
質固有の性質等を用いて作成することができる。たとえ
ば、誘電体多層膜を用いて、ハイパスフィルタ、ローパ
スフィルタ、バンドパスフィルタ等を作成することがで
きる。また、ファブリペロ型干渉器を用いて、バンドパ
スフィルタを作ることもできる。
【０００５】光通信においては、用いる光信号の波長は
ほぼ一定であるため、透過バンド幅の狭いバンドパスフ
ィルタが要求される。
【０００６】図５に、複数の波長の光を用いる波長多重
光通信に用いられる従来の技術を示す。
【０００７】入射光６０は、波長λ１、λ２、λ３の複
数の波長成分を有するものとする。ビームスプリッタ５
１は、この複数の波長を有する光信号を受け、分離した
い光信号の数だけの光ビーム６１を形成する。各光ビー
ム６１は、波長フィルタ５２、５３、５４に入射し、そ
れぞれ波長λ１、λ２、λ３の光が出射する。これら個
別波長フィルタ５２、５３、５４の出射光６２は、それ
ぞれ別個に設けられた光検出器５７、５８、５９に入射
して検出される。
【０００８】このような技術によれば、光を伝搬する過
程においては、複数波長の光を多重化して伝搬すること
ができるが、光を検出する段階においては波長の数だけ
の光検出システムを設ける必要がある。このため、構成
が複雑になり、制御も複雑になる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来の技術によれば、複数波長の光を含む入射光から単
一波長の光を抽出し、検出しようとすれば、波長の数だ
けの光検出計を備える必要がある。
【００１０】本発明の目的は、波長多重化した光信号に
対し、単一の波長フィルタを用いて選択的に所定波長の
光を検出することのできる技術を提供することである。
【００１１】単一の波長フィルタで複数の波長の光を検
出することができるのみでなく、制御によって容易に検
出する光の波長を変更できることが好ましい。
【００１２】
【課題を解決するための手段】図１に本発明の原理説明
図を示す。図１（Ａ）は、制御光入射を説明するための
概念図であり、図１（Ｂ）は信号光入射を説明するため
の概念図である。
【００１３】図１（Ａ）において、光導波路１０中の入
射光波長に対して選択的な吸収飽和を示す材料１に対し
て、所定波長λｉ（またはλｊ）の制御光２が入射され
る。
【００１４】制御光入射前には、入射光波長に対して選
択的な吸収飽和を示す材料１は、下段左側に示すように
、ある波長帯域においてほぼ均一な吸収を示す、なお、
図において、横軸は波長λを示し、縦軸は吸収係数αを
示す。このような材料１に所定波長λｉの制御光２を入
射すると、図１（Ａ）下段右側に示すように、対応する
波長での吸収係数が低減する。すなわち、この物質１の
光吸収は、制御光の入射によって飽和し、それ以上の光
吸収を示さなくなる。
【００１５】制御光が波長λｊとなった場合は、材料１
の吸収特性は破線で示すように変化し、波長λｊの吸収
係数が低減する。
【００１６】なお、図中３は制御光入射部を示し、５は
信号光入射部を示し、７は信号光出射部を示す。
【００１７】図１（Ａ）に示すように、制御光２は入射
光波長に対して選択的な吸収飽和を示す材料１の吸収特
性を制御し、ある波長での吸収係数を低減させることが
できる。
【００１８】図１（Ｂ）は、信号光入射の過程を示す。 入射光波長に対して選択的な吸収飽和を示す材料１を含
む光導波路１０は、信号光入射部５を有するが、ここに
信号光４が制御光とは異なる方向から入射される。信号
光４は、少なくとも制御光波長λｉの成分を有する。信
号光４は、目的とする波長λｉの光の他、他の波長の光
も含むが他の波長の光は入射光波長に対して選択的な吸
収飽和を示す材料１によって吸収される。波長λｉの光
は、材料１がこの波長に関しては吸収飽和を示している
ため、材料１中で強く吸収されることなく、信号光出射
部７から出力光６として出射する。
【００１９】信号光４が波長λｉ、λｊの光を含む場合
、制御光２の波長をλｉとするか、λｊとするかによっ
て、出力光６の波長はλｉとλｊの間で変化する。
【００２０】
【作用】入射光波長に対して選択的な吸収飽和を示す材
料１は、入射される光の波長にしたがってその吸収測定
を変化させる。すなわち、制御光２として与えられた光
の波長に対応する波長の吸収係数が減少する。このため
、信号光のうち、吸収係数の低減した領域の光はより少
ない吸収しか受けず、出力光として出射する。制御光の
波長を変えると、出射光の波長も変化する。
【００２１】このようにして、単一の部材を用いて複数
波長の光をそれぞれ選択的に抽出することができる。
【００２２】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
【００２３】図２は、本発明の実施例による光信号の波
長選択方法およびその方法を実施するための波長フィル
タを示す。
【００２４】図２（Ａ）は、波長フィルタの構成を示す
。入射光波長に対して選択的な吸収飽和を示す材料１は
、光閉込め層１１、１２によって挾まれ、さらに上側お
よび下側のクラッド層１５、１６によって挾まれている
。この波長フィルタ構造は、基板１７上に形成される。 波長フィルタは、その上面に制御光入射部３を有し、対
向する側面に信号光入射部５および信号光出射部７を有
する。信号光４は、信号光入射部５に入射し、所定波長
の光のみが選択されて出力光６を形成する。なお、入射
光波長に対して選択的な吸収飽和を示す材料１と、その
両側の光閉込め層１１、１２は光導波路１０を構成する
。
【００２５】入射光波長に対して選択的な吸収飽和を示
す材料１は、たとえば半導体材料で構成された多数の量
子箱によって実現することができる。
【００２６】図２（Ｂ）は、量子箱の構造を概略的に示
す斜視図である。量子箱２０は、３次元の全ての方向に
対して電荷キャリアの自由度が制限された領域であり、
電荷キャリアはこの内部においてディスクリートなエネ
ルギレベルを有する。このため、光吸収は電荷キャリア
の存在するレベルから電荷キャリアの存在しないレベル
への離散的なエネルギ値においてのみ生じる。なお、量
子箱２０は、障壁領域２１によって取囲まれている。障
壁領域２１は、量子箱２０中の電荷キャリアに対して電
位障壁を形成する材料で形成され、電荷キャリアの移動
を実質的に禁じる厚さを有する。
【００２７】量子箱２０は、たとえばＩｎＧａＡｓで形
成された領域であり、その一方向の寸法Ｌは、たとえば
１５〜２５ｎｍに設定される。また、量子箱間の障壁領
域２１の幅ｇは、たとえば１０〜２０ｎｍに選択される
。量子箱２０がＩｎＧａＡｓで形成される場合、障壁領
域２１は、たとえばＩｎＧａＡｓＰで形成される。
【００２８】波長フィルタの基板１７がＩｎＰである場
合、基板と格子整合するＩｎＧａＡｓＰ障壁領域２１は
、たとえばバンドギャップ波長１．１５μｍを有するよ
うに設定する。このため、１．５〜１．５５μｍの波長
を有する信号光は、障壁領域２１によっては吸収されな
い。
【００２９】量子箱２０は、たとえばＩｎＧａＡｓによ
って作成されるが、その内部において電荷キャリアの運
動が３次元方向に制限されているため、離散的なエネル
ギ準位のみを有する。
【００３０】ここで、運動の自由度と吸収係数との関係
について簡単に説明する。電荷キャリアが３次元方向に
自由度を有する通常の結晶の場合、吸収係数はバンド端
から高エネルギに向かうにしたがって徐々に増大する。 電荷キャリアの自由度が１次元方向において制限される
量子井戸層の場合、その吸収係数は図２（Ｃ）に示すよ
うに、階段的に変化する。
【００３１】さらに、荷電キャリアの存在する領域の寸
法を狭め、荷電キャリアの自由度が１次元方向のみに存
在する量子井戸細線構造とした場合、その吸収係数は図
２（Ｄ）に示すように、ある波長でピークを有するよう
になる。この状態においては、吸収係数はテーリングを
有し、裾の部分ではかなり広い範囲に拡がる。
【００３２】電荷キャリアの存在する領域の寸法を３次
元方向全てにおいて狭め、電荷キャリアの自由度を３次
元方向において制限した量子井戸箱（量子箱）とすると
、その吸収係数は図２（Ｅ）に示すように狭いバンド幅
において急激に立上がるものとなる。この状態は、量子
箱中において、電子のエネルギレベルが離散的な値のみ
を取ることに対応している。
【００３３】量子箱２０の寸法を、種々に変化させると
、吸収の生じる波長も変化する。すなわち、量子箱２０
の寸法を徐々に変化させると、量子箱の吸収特性も徐々
に変化し、全体としての吸収特性はある波長範囲にわた
って分布することになる。
【００３４】このような寸法の異なる多数の量子箱の集
合によって実現される吸収特性を、図２（Ｆ）に示す。
【００３５】図２（Ｆ）において、横軸は波長、縦軸は
吸収係数を示す。寸法が徐々に変化する多数の量子箱に
よって、それぞれ独立な吸収ピークＰｉ、Ｐｉ＋１、…
が生成され、吸収ピークの集合としてある波長範囲にわ
たる吸収特性を有する材料が形成される。
【００３６】この場合、各量子箱が独立に保たれると、
異なる波長の吸収係数が互いに独立となる。したがって
、制御光が、吸収ピークＰｉを吸収飽和させた時には、
相当する波長においては吸収が低減するが、隣接する波
長においては元どおりの吸収係数が存在する。このよう
に、波長に応じて吸収係数が独立に飽和現象を示すこと
を、入射光波長に対して選択的な吸収飽和と呼ぶ。
【００３７】図示の構成において、入射光波長に対して
選択的な吸収飽和を示す材料の層１、その両側の光閉込
め層１１、１２、さらにその外側のクラッド層１５、１
６は、それぞれアンドープのＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系
材料のような半導体領域によって形成される。この場合
、制御光が切れると、励起されていた電子・正孔対は自
然放出再結合によって消滅し、吸収特性は元に戻る。 この復帰過程は、数十ｎｓの時間がかかる。
【００３８】図３は、量子箱の具体例を示す。図３（Ａ
）は、量子箱を作成する前半の工程を示す。ＩｎＰで形
成された下側光閉込め層の上に、ＩｎＧａＡｓで形成さ
れ、量子井戸層を構成する層２４、２６、２８、３０お
よび、ギャップ波長１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰで形
成され、障壁層を構成する層２５、２７、２９を交互に
積層する。たとえば、１０対２０相を積層する。この際
、量子井戸層２４、２６、２８、３０の厚さは、下から
上に向かうにしたがって徐々に減少するように選ぶ。た
とえば、最下層は厚さ約２５ｎｍ、最上層は厚さ約１５
ｎｍとなるようにする。このようにして、積層エピタキ
シャル層を形成した後、その表面上にホトレジスト層を
形成し、多数の円形マスクを形成する。その後、このホ
トレジストの円形マスクをマスクとして選択エッチを行
なうことにより、図３（Ｂ）に示すような円柱状領域を
多数形成する。選択エッチの工程において、横方向エッ
チを積極的に利用することにより、各円柱において、そ
の系が徐々に深さ方向に増大するようにする。すなわち
、厚さの厚い層２４から、厚さの薄い層３０の方向に向
かうにしたがって、円柱の径も徐々に減少する。 たとえば、最上部の径が約１５ｎｍ、最下部の径が約２
５ｎｍとなるようにする。
【００３９】このようにして、下側の層で比較的寸法の
大きな量子箱、上側で比較的寸法の小さな量子箱を作成
する。
【００４０】その後、多数形成された円柱の側面に、障
壁層と同様の材料を選択的に成長することによって多数
の円柱を埋め込む。
【００４１】なお、マスクを用いて選択的にエッチング
を行なうことによって、多数の円柱を作成する場合を説
明したが、他の方法も可能である。たとえば、下地表面
上に絶縁物等のマスクを作成し、パターニングによって
下地表面を選択的に露出し、その上に選択成長を行なっ
て、その後埋め込み成長を行なうことにより、同様の構
成を作成することも可能である。
【００４２】量子箱の寸法は同一平面内では均一で、高
さ方向のみに変化してもよいが、平面内においてもその
寸法を変化させ、種々の吸収特性を示すように作成する
こともできる。
【００４３】図４は、本発明の他の実施例による波長フ
ィルタを示す。本実施例においては、ｐ型ＩｎＰ基板３
１の上に、ｐ型ＩｎＰクラッド層３２が形成され、その
上に前述の実施例同様の光導波路１０を作成し、その上
にｎ型ＩｎＰクラッド層３４を作成してｐｎダイオード
型構造を作成する。この波長フィルタは、ｐｎダイオー
ド構造に電圧を印加しない状態においては、前述の実施
例同様に動作するが、ｐｎダイオード構造に逆バイアス
を印加することにより、制御光が切れた時、励起された
電子・正孔を速やかに取り去ることが可能になる。この
ため、前述の実施例よりもより高速で動作する多波長用
波長フィルタを作成することが可能となる。
【００４４】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
複数の量子井戸層の組成を厚さ方向に徐々に変化させて
成長し、これらを用いて量子箱を作成してもよい。また
、量子井戸層、障壁層を構成する材料として、ＩｎＧａ
Ａｓ／ＩｎＧａＡｓＰを用いる場合を説明したが、その
他の材料、たとえばＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎ
Ａｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＳｂ／ＡｌＧａＳｂ等の
材料やこれらの組合わせを用いることもできる。また、
半導体を用いた量子箱構造の他、たとえばガラス中に半
導体の微粒子を閉込めた半導体ドープドガラス等を用い
ることもできる。たとえば、半導体としてＣｄＳｅを用
い、ガラスとしてシリケートガラスを用いて、半導体ド
ープドガラスを作成することができる。その他、ホトケ
ミカルホールバーニング等を用いることも可能である。 基板材料としては、ＩｎＰの他、ＧａＡｓ等を用いるこ
ともできる。
【００４５】その他、種々の変更、改良、組合わせ等が
可能なことは当業者に自明であろう。
【００４６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
単一の構成を用いて複数の波長に対する波長フィルタを
構成することができる。
【００４７】このため、光集積回路装置等おいて、集積
度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理説明図である。図１（Ａ）は制御
光入射を説明するための概念図、図１（Ｂ）は信号光入
射を説明するための概念図である。
【図２】本発明の実施例を示す。図２（Ａ）は構成を示
す概略断面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の構成において
用いられる量子箱を概略的に示す斜視図、図２（Ｃ）〜
（Ｅ）は、吸収係数を説明するためのグラフ、図２（Ｆ
）は量子箱の集合からなる吸収係数を説明するためのグ
ラフである。
【図３】量子箱作成の具体例を示す。図３（Ａ）は量子
箱作成のための積層エピタキシャル層形成工程を示す断
面図、図３（Ｂ）は選択エッチ工程を示す概略斜視図で
ある。
【図４】本発明の他の実施例を示す断面図である。
【図５】従来の技術を示す概念図である。
【符号の説明】
１　　入射光波長に対して選択的な吸収飽和を示す材料
２　　制御光 ３　　制御光入射部 ４　　信号光 ５　　信号光入射部 ６　　出力光 ７　　信号光出射部 １０　　光導波路 １１、１２　　光閉込め層 １５、１６　　クラッド層 １７　　基板 ２０　　量子箱 ２１　　障壁領域 ２４、２６、２８、３０　　量子井戸層２５、２７、２
９　　障壁層

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　入射光波長に対して選択的に吸収飽和
    を示す材料（１）に所定の制御光（２）を入射し、それ
    に対応する波長での吸収特性を変化させるステップと、
    前記材料（１）に前記制御光に対応する波長の信号光と
    他の波長の信号光を含む信号光（４）を入射し、前記対
    応する波長の信号光を選択的に透過させるステップとを
    含む光信号波長選択方法。
  2. 【請求項２】　　入射光波長に対して選択的な吸収飽和
    を示す材料（１）を含む光導波路（１０）と、前記光導
    波路（１０）に前記材料の吸収飽和を制御するための制
    御光を入射するための制御光入射部（３）と、前記光導
    波路（１０）に信号光を入射するための信号光入射部（
    ５）と、前記光導波路（１０）から前記信号光のうち透
    過した光を取り出す信号光出射部（７）とを有する光波
    長フィルタ。
  3. 【請求項３】　　前記材料（１）が半導体で形成され、
    寸法の異なる複数の量子井戸箱を含む請求項２記載の光
    波長フィルタ。
  4. 【請求項４】　　前記材料（１）が、さらに前記量子井
    戸箱を囲み、量子井戸箱間で電荷キャリアが移動するこ
    とを実質的に禁止する障壁領域を含む請求項３記載の光
    波長フィルタ。
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